DE19633589A1 - Mehrwandige Düsenwand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schubdüse für Strahlantriebe mit zumindest einer mehr­ wandigen Düsenwand, die eine heißgasbeaufschlagte Innenwand und eine Außen­ wand aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Eine solche Schubdüse ist in der DE-PS 43 17 807 offenbart.

Für zukünftige Raumfahrzeuge und Flugzeuge werden Kombinationstriebwerke mit verschiedenen Strahlantrieben vorgeschlagen. Zur Erzielung eines hohen Schubes und eines geringen Stirnflächenwiderstandes sowie einer einfachen Umschaltbarkeit zwischen den Betriebsdaten wurden Schubdüsen mit rechteckigem Düsenquerschnitt entworfen. Düsenwände derartiger Schubdüsen sind hohen Druckkräften und auf­ grund des verwendeten Brennstoffes - Wasserstoff - hohen Temperaturen des Schub­ strahles ausgesetzt. Hinzu kommt, daß ein rechteckiges Düsengehäuse höheren Be­ anspruchungen ausgesetzt ist als eine runde Düse mit gleicher Querschnittsfläche. Daher bewirken die auftretenden Druckbelastungen eine Verformung des Gehäuses. Im Interesse einer minimalen Leckage werden Verformungen von unter 1 mm gefor­ dert. Aus diesem Grund sind bisher bekannte Düsenwände funktionell getrennt ausge­ legt. Hierzu ist dem Heißgas zugewandt eine aktiv gekühlte Innenwand vorgesehen, die von einer stark verrippten Tragstruktur gehalten wird. Dies führt allerdings zu einer massiven, schwergewichtigen Bauweise, die dem Leichtbaugedanken des Flug­ zeugbaues zuwider läuft.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Schubdüse für Strahlantriebe anzugeben, deren heißgasseitigen Düsenwände im Sinne einer minima­ len Leckage im Betrieb geringe Verformungswerte bei gleichzeitiger Gewichtser­ sparnis aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß aufgrund des Druckausgleichs an der vom Heißgas beaufschlagten Innenwand diese lediglich thermischen und nicht der statischen Druckbeanspruchung unmittelbar ausgesetzt ist. Vielmehr wird die aus der statischen Druckbeanspruchung resultierende mechanische Belastung von der parallel zur In­ nenwand angeordneten Außenwand aufgenommen. Je nach Beanspruchung der Dü­ senwand kann die Außenwand mit unmittelbarem Kontakt zur Innenwand oder mit Abstand zu dieser angeordnet sein. Einen steifen Verbund erhält die Düsenwand, aufgrund der steif ausbildbaren Verbindung der Innen- und Außenwand an ihren Wandrändern. Da die Außenwand nicht im Kontakt zu verstellbaren Düsengliedern steht, ist im Gegensatz zur Innenwand keine strenge Formhaltigkeit erforderlich. Vielmehr kann die Außenwand sich unter dem Einfluß des statischen Druckes aus­ beulen, so daß durch Gewährung einer gewissen Durchbiegung der Außenwand der verwendete Werkstoff in seiner Festigkeit besser ausgenutzt werden kann, woraus sich eine beachtliche Gewichtsersparnis für eine Schubdüse ergibt. Gleichzeitig ist auch die Formhaltigkeit der Innenwand gewährleistet, ohne daß es hierfür einer mas­ siven Bauweise bedarf. Für beide Wände wird daher eine Leichtbauweise, beispiels­ weise aus Honigwaben, gegebenenfalls mit Kühlstrukturen ermöglicht.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Merk­ malen der Patentansprüche 2 bis 13.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnah­ me auf die beigefügte Zeichnung erläutet. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer teilgeschnittenen seitlichen Düsenwand einer Schubdüse,

Fig. 2a einen Querschnitt der Düsenwand nach Fig. 1 gemäß Schnitt A-A in druck­ losem Zustand,

Fig. 2b die Düsenwand nach Fig. 2a im druckbeaufschlagten Zustand,

Fig. 3a einen Querschnitt einer Düsenwand in alternativer Ausführung mit Bälgen in drucklosem Zustand,

Fig. 3b die Düsenwand nach Fig. 3a in druckbeaufschlagtem Betriebszustand und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Schubdüse in Rechteckbauweise mit Dü­ senwänden nach dem Stand der Technik.

Die in Fig. 1 gezeigte ebene Düsenwand 1 ist Bestandteil einer Schubdüse 2 für Strahlantriebe wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Die in Fig. 4 gezeigte Schubdüse 2 wird im Betrieb von der heißen Strömung in Richtung S axial durchströmt. Stromabwärts mündet die Schubdüse 2 in einer Expansionsrampe 3, die den maximal erzielbaren Schub der Schubdüse 2 erhöht. In einem Übergangsrohr 4 erfolgt der Übergang vom runden in den rechteckigen Kanalquerschnitt. Der zwischen Übergangsrohr 4 und Ex­ pansionsrampe 3 liegende Düsenkasten 5 mit konvergent-/divergentem Kanalverlauf wird von mehreren miteinander verbundenen Düsenwänden 1 gebildet, wobei ein Klappenpaar 6 zur Verstellung des Engquerschnittes Q verstellbar ausgeführt ist. Um eine schubmindernde Leckage zu vermeiden, ist darauf zu achten, daß Deformationen die zu Spaltverlusten führen, vermieden werden. Die nach dem Stand der Technik ausgeführte Schubdüse 2 gemäß Fig. 4 weist daher Düsenwände 1 mit massiv bauen­ der, steifer Tragstruktur 7 auf, an welcher die heißgasbeaufschlagte Innenwand ange­ bracht ist.

Die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Düsenwand 1 weist eine heißgasseitige In­ nenwand 7 und eine von dieser beabstandete Außenwand 8 auf. Über ihre Wandrän­ der 9a sind die beiden Wände 7, 8 mittels eines formsteifen Rahmens 9, der die beiden Wände 7, 8 umgibt, verbunden.

Wie auch in den übrigen Fig. 2a bis 3b zu sehen, sind zwischen Innen- und Au­ ßenwand 7 bzw. 8 mehrere separate Kammern 10 ausgebildet. Bei der Ausführung der Erfindung nach den Fig. 2a bis 2b sind die Kammern 10 seitlich, also in der Ebene der Düsenwand 1 über Stege voneinander abgetrennt, die an der Innenwand 7 ausgebildet, die beiden Wände 7, 8 voneinander beabstanden und eine gewisse Versteifung der Innenwand 7 ergeben. Heißgasseitig werden die Kammern 10 durch die Innenwand 7 begrenzt, wobei je Kammer 10 eine Durchgangsbohrung 12 in der Innenwand 7 vor­ gesehen ist, die während des Betriebes der Schubdüse für einen Druckausgleich zwi­ schen der Heißgasseite H der Innenwand 7 und den Kammern 10 sorgen. Zur Außen­ seite hin sind die Kammern 10 durch eine folienatige, nachgiebige Membran 13 ab­ gedichtet, die an den Stirnseiten der Stege 11 beispielsweise durch Löten oder Kleben angebracht sind. Durch die Membran 13 sind die Kammern 10 druckdicht vonein­ ander abgetrennt, so daß aufgrund des Druckabfalls in stromabwärtige Richtung von Kammer zu Kammer ein unterschiedlicher Druck herrscht. Dieser Kammerdruck wird im Betriebsfall von der nachgiebigen Membran 13 auf die Außenwand 8 durch Aus­ beulen der Membran 13 weitergegeben, so daß sich die Außenwand 8 unter Einfluß des Kammerdruckes frei auswölben kann, da diese lediglich über den Rahmen 9 mit der Außenwand 8 verbunden ist, ohne Rücksicht auf die Verformung der Außenwand 8 kann diese bis zur zulässigen Festigkeitsgrenze beansprucht werden, wodurch sich eine optimale Ausnutzung des Materials ermöglichen läßt, was wiederum zu einer Gewichtsersparnis führt.

Auch bei der Innenwand 7 wird eine Gewichtsersparnis ermöglicht, da diese nunmehr nicht mehr vom Differenzdruck zwischen Innen- und Außenseite beaufschlagt wird, so daß eine Formhaltigkeit ohne massive ausgesteifte Bauweise ermöglicht wird.

In den Fig. 3a und 3b ist eine alternative Ausführung der Düsenwand 101 gezeigt, bei der statt Membranen je Kammer 110 ein Dehnbalg 114 als nachgiebiges Dehnungs­ glied vorgesehen ist. Die Dehnbälge 114 dichten die Kammern 110 zu den benach­ baten Kammern 10 sowie zur Außenwand 108 ab. Zum Kammerinneren hin sind die Dehnbälge 114 geöffnet, so daß deren Inneres vom Kammerdruck beaufschlagt wird und diesen durch flächige Anlage auf der Innenseite der Außenwand 108 weitergeben.

An ihrem innenseitigen Ende sind die Dehnbälge 114 abdichtend an den Stegen 111 angebracht, welche die Kammern 110 seitlich begrenzen.

Wie weiter in den Fig. 3a und 3b zu erkennen, ist die Innenwand 107 stromauf­ wärts, also mit zunehmenden Druck durch höhere Stege 111 steifer ausgeführt, wobei die Differenzhöhe zur Außenwand 108 durch mehr oder weniger hochbauende Dehn­ bälge 114 ausgeglichen wird.

Bezugszeichenliste

1, 101 Düsenwand
2 Schubdüse
3 Expansionsrampe
4 Übergangsrohr
5 Düsenkasten
6 Klappenpaar
7, 107 Innenwand
8, 108 Außenwand
9 Rahmen
10, 110 Kammer
11, 111 Steg
12 Durchgangsbohrung
13 Membran
114 Dehnbalg
Q Düsenquerschnitt
S Strömungsrichtung
H Heißgasseite.

Claims (13)

1. Schubdüse für Strahlantriebe mit zumindest einer mehrwandigen Düsenwand (1, 101), die eine heißgasbeaufschlagte Innenwand (7, 107) und eine Außenwand (8, 108) aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (7, 107) mit der unter Druckbeaufschlagung nachgiebigen Außenwand (8, 108) an den Wandrändern (9a) verbunden ist und zur Druckbeaufschlagung der Außenwand (8, 108) Mittel (Durchgangsbohrung 12) zum Druckausgleich zwischen beiden Seiten der Innenwand (7, 107) vorgesehen sind.

2. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Innen- und Außen­ wand (7, 107 bzw. 8, 108) mehrere druckdicht voneinander abgetrennte Kammern (10, 110) ausgebildet sind, die jeweils mit einem separaten druckausgleichenden Mittel (12) versehen sind.

3. Schubdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (10, 110) in Strömungsrichtung (S) angrenzend ausgebildet sind.

4. Schubdüse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Innen- und Außenwand (7, 107 bzw. 8, 108) ein oder mehrere Dehnungsglieder (13, 114) angeordnet sind, die die Kammern (10, 110) abdichten und die Außenwand (8, 108) bei Druckbeauf­ schlagung auswölben.

5. Schubdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnungsglied als nach­ giebige Zwischenwand (13) ausgeführt ist, die lokal mit der Innenwand (7) verbunden, mit dieser die Kammern (10) ausbildet.

6. Schubdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnungsglied (13) mit geringem oder ohne Abstand zur Innenwand (7) an deren Außenseite angebracht ist.

7. Schubdüse nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Deh­ nungsglied von einer Membran (13) gebildet wird.

8. Schubdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsglieder von Dehnbälgen (114) gebildet werden die zu den Kammern (110) hin geöffnet sind und an der Innenseite der Außenwand (108) flächig anliegen.

9. Schubdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsglieder (114) zwischen an der Außenseite der Innenwand (107) ausgebildeten Stegen (111) und der Au­ ßenwand (108) angeordnet und mit den Stegen verbunden sind.

10. Schubdüse nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen­ wand (7, 107) an ihrer Außenseite Stege (11, 111) aufweist, die die Kammern (10, 110) voneinander abtrennen.

11. Schubdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das druckausgleichende Mittel von einer Durchgangsbohrung (12) gebildet wird.

12. Schubdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und Ioder Außenwand (7, 107 bzw. 8, 108) in Leichtbauweise, beispielsweise aus einer Honigwabenstruktur ausgeführt ist.

13. Schubdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenwand (1, 101) einen formsteifen Rahmen (9) aufweist, welcher die Innen- und Au­ ßenwand (7, 107 bzw. 8, 108) an ihren Wandrändern (9a) umschließt und miteinander ver­ bindet.